第19讲电解池金属的电化学腐蚀与防护（讲）-2023年高考化学一轮复习讲练测（全国通用）（原卷版）_05高考化学_通用版（老高考）复习资料_2023年复习资料_一轮复习

第 19 讲 电解池 金属的电化学腐蚀与防护 目录 第一部分：网络构建（总览全局） 第二部分：知识点精准记忆 第三部分：典型例题剖析 高频考点1 考查电解规律及电极产物的判断 高频考点2 考查电极反应式的书写与正误判断 高频考点3 考查电解原理的应用 高频考点4 考查金属腐蚀与防护 高频考点5 考查电子守恒在电化学计算中的应用 正文 第一部分：网络构建（总览全局） 第二部分：知识点精准记忆 知识点一 电解的原理 1.电解和电解池 (1)电解：在电流作用下，电解质在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程。 (2)电解池：电能转化为化学能的装置。 (3)电解池的构成 ①有与电源相连的两个电极。 ②电解质溶液(或熔融电解质)。 ③形成闭合回路。 2.电解池的工作原理(1)电极名称及电极反应式(电解CuCl 溶液为例) 2 总反应式：CuCl =====Cu＋Cl↑ 2 2 (2)电解过程的三个流向 ①电子流向：电源负极→电解池阴极；电解池的阳极→电源的正极； ②离子流向：阳离子→电解池的阴极，阴离子→电解池的阳极。 ③电流方向：电源正极→电解池阳极→电解质溶液→阴极→负极。 3.电极产物判断 (1)阳极产物的判断 ①活性电极(除Au、Pt以外的金属材料作电极)，电极材料失电子，生成金属阳离子。 ②惰性电极(Pt、Au、石墨)，要依据阴离子的放电顺序加以判断。 阴离子的放电顺序： 活泼电极＞S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－＞含氧酸根离子。 S2－、I－、Br－、Cl－放电，产物分别是S、I、Br 、Cl；若OH－放电，则得到HO和O。 2 2 2 2 2 (2)阴极产物的判断 直接根据阳离子放电顺序进行判断。 阳离子放电顺序：Ag＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋(酸)＞Fe2＋＞Zn2＋＞H＋(水)＞Al3＋＞Mg2＋。 ①若金属阳离子(Fe3＋除外)放电，则得到相应金属单质；若H＋放电，则得到H。 2 ②放电顺序本质遵循氧化还原反应的优先规律，即得(失)电子能力强的离子先放电。 4.电极反应式、电解方程式的书写 (1)首先判断阴、阳极，分析阳极材料是惰性电极还是活泼电极。 (2)再分析电解质水溶液的组成，找全离子并分阴离子、阳离子两组(不要忘记水溶液中的H＋和OH－)。 (3)然后排出阴、阳两极的放电顺序： 阴极：阳离子放电顺序：Ag＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋(酸)＞Fe2＋＞Zn2＋＞H＋(水)＞Al3＋＞Mg2＋＞Na＋＞Ca2＋＞K＋。 阳极：活泼电极＞S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－＞含氧酸根离子。 (4)分析电极反应，判断电极产物，写出电极反应式，要注意遵循原子守恒和电荷守恒。 (5)最后写出电解反应的总化学方程式或离子方程式，并注明“电解”条件。 【特别提醒】①阴极不管是什么材料，电极本身都不反应，一定是溶液(或熔融电解质)中的阳离子放电， 注意离子导体(电解质)是水溶液还是非水状态。②阳极材料不同，电极产物、电极反应式可能不同，最常 用、最重要的放电顺序为阳极：Cl－>OH－；阴极：Ag＋>Cu2＋>H＋。③电解水溶液时，K＋～Al3＋不可能在 阴极放电，即不可能用电解水溶液的方法得到K、Ca、Na、Mg、Al等金属。④书写电解池中的电极反应 式时，要以实际放电的离子表示，但书写总电解反应方程式时，弱电解质要写成分子式。⑤电解质溶液中 未参与放电的离子是否与放电后生成的离子发生反应(离子共存)。⑥要确保两极电子转移数目相同，且注 明条件“电解”。 5.阴、阳极的判断方法 (1)根据外接电源:正极接阳极,负极接阴极。 (2)根据电流方向:从阴极流出,从阳极流入。 (3)根据电子流向:从阳极流出,从阴极流入。 (4)根据离子移向:阴离子移向阳极,阳离子移向阴极。 (5)根据电极产物:阳极——电极溶解、逸出O(或阳极区酸性增强)或Cl;阴极——析出金属、逸出H(或阴 2 2 2 极区碱性增强)。 (6)根据反应类型:阳极发生氧化反应,阴极发生还原反应。 6.用惰性电极电解电解质溶液的规律 (1)电解溶剂水型 电解质溶液 电解质溶液 电解质类型 电极反应式及总反应式 溶液pH 浓度 复原 含氧酸，如 阴极：4HO＋4e－===2H ↑＋ 2 2 减小 H 2 SO 4 4OH－ 可溶性强碱，如 阳极：2HO－4e－===O ↑＋ 2 2 增大 增大 加水 NaOH 4H＋ 活泼金属含氧酸 总反应式：2HO=====2H↑ 2 2 不变 盐，如KNO 3 ＋O 2 ↑ (2)电解溶质型 电解质 电解质 电解质 电极反应式 溶液 溶液 溶液 类型 及总反应式 pH 浓度 复原 无氧酸，如 阴极：2H＋＋2e－===H 2 ↑ 减小 增大 通入阳极：2Cl－－2e－===Cl↑ HCl 2 HCl 总反应式：2HCl=====H↑＋Cl↑ 气体 2 2 阴极：Cu2＋＋2e－===Cu 加入 不活泼金属 无氧酸盐， 阳极：2Cl－－2e－===Cl↑ CuCl 2 2 如CuCl 2 总反应式：CuCl =====Cu＋Cl↑ 固体 2 2 (3)电解溶质和溶剂水型，生成H 和碱（析氢生碱型）： 2 电解质 电解质 溶液 溶液 电极反应式及总反应式 (水溶液) 浓度 pH 复原 阳极：2Cl－－2e－===Cl↑ 活泼金属的无 2 通入 氧酸盐 阴极：2H 2 O＋2e－===H 2 ↑＋2OH－ 生成新 增大 HCl (如NaCl) 总反应式：2Cl－＋2H 2 O=====Cl 2 ↑＋ 电解质 气体 H↑＋2OH－ 2 (4)电解溶质和溶剂水型，生成O 和酸（放氧生酸型） 2 电解质 电极反应式 电解质 溶液 溶液 (水溶液) 及总反应式 浓度 pH 复原 阳极：2HO－4e－===O ↑＋4H＋ 2 2 不活泼金属的 阴极：2Cu2＋＋4e－===2Cu 生成新 加CuO 含氧酸盐[如 减小 CuSO 4 ] 总反应式：2Cu2＋＋ 电解质 或CuCO 3 2HO=====2Cu＋O↑＋4H＋ 2 2 知识点二 电解原理的应用 1.氯碱工业 阳极反应式：2Cl－－2e－===Cl↑(氧化反应) 2 阴极反应式：2H＋＋2e－===H ↑(还原反应) 2 总反应方程式： 2NaCl＋2HO=====2NaOH＋H↑＋Cl↑ 2 2 2 2.电镀与电解精炼 电镀 电解精炼铜 示意图 电极反应 阳极 Cu－2e－===Cu2＋ Zn－2e－===Zn2＋，Cu－2e－===Cu2＋阴极 Cu2＋＋2e－===Cu Cu2＋＋2e－===Cu 电解质溶液的浓度变化 CuSO 溶液的浓度不变 CuSO 溶液的浓度变小 4 4 注意：电解精炼铜时，阳极质量减小，阴极质量增加，溶液中的Cu2＋浓度减小。粗铜中不活泼的杂质(金 属活动性顺序中位于铜之后的银、金等)，在阳极难以失去电子，当阳极上的铜失去电子变成离子之后，它 们以金属单质的形式沉积于电解槽的底部，成为阳极泥。 3.电冶金 电解冶 冶炼钠 冶炼镁 冶炼铝 炼 电极反 阳极：2Cl－－2e－===Cl↑ 阳极：2Cl－2e－===Cl↑ 阳极：6O2－－12e－===3O ↑ 2 2 2 应 阴极：2Na＋＋2e－===2Na 阴极：Mg2＋＋2e－===Mg 阴极：4Al3＋＋12e－===4Al MgCl 熔融=====Mg＋ 2 总反应 2NaCl(熔融)=====2Na＋Cl↑ 2Al O(熔融)=====4Al＋3O↑ 2 2 3 2 Cl↑ 2 【特别提醒】(1)氯碱工业所用的饱和食盐水需要精制，除去NaCl中混有的Ca2＋、Mg2＋、SO。 (2)电镀铜时，电解质溶液中c(Cu2＋)不变；电解精炼铜时，电解质溶液中c(Cu2＋)减小。 (3)电解熔融MgCl 冶炼镁，而不能电解MgO冶炼镁，是因为MgO的熔点很高；电解熔融Al O 冶炼铝， 2 2 3 而不能电解AlCl 冶炼铝，是因为AlCl 是共价化合物，其熔融态不导电。 3 3 知识点三 金属的腐蚀与防护 1.金属腐蚀的本质 金属原子失去电子变为金属阳离子，金属发生氧化反应。 2.金属腐蚀的类型 (1)化学腐蚀与电化学腐蚀 类型 化学腐蚀 电化学腐蚀 条件 金属跟非金属单质直接接触 不纯金属或合金跟电解质溶液接触 现象 无电流产生 有微弱电流产生 本质 金属被氧化 较活泼金属被氧化 联系 两者往往同时发生，电化学腐蚀更普遍 (2)析氢腐蚀与吸氧腐蚀（以钢铁的腐蚀为例）： 类型 析氢腐蚀 吸氧腐蚀 条件 水膜酸性较强(pH≤4.3) 水膜酸性很弱或呈中性 负极 Fe－2e－===Fe2＋ 电极反应 正极 2H＋＋2e－===H ↑ O＋2HO＋4e－===4OH－ 2 2 2 总反应式 Fe＋2H＋===Fe2＋＋H↑ 2Fe＋O＋2HO===2Fe(OH) 2 2 2 2 联系 吸氧腐蚀更普遍 【特别提醒】①电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防腐措施的腐蚀。 ②钢铁暴露在潮湿空气中主要发生的是吸氧腐蚀，铁锈的形成过程中主要发生的反应为 4Fe(OH) ＋O ＋ 2 2 2HO===4Fe(OH) ,2Fe(OH) ===Fe O·xHO(铁锈)＋(3－x)H O。 2 3 3 2 3 2 23.金属的防护 (1)电化学防护 ①牺牲阳极的阴极保护法——原电池原理 a.负极：比被保护金属活泼的金属； b.正极：被保护的金属设备。 ②外加电流的阴极保护法——电解原理 a.阴极：被保护的金属设备； b.阳极：惰性金属或石墨。 (2)改变金属的内部结构，如制成合金、不锈钢等。 (3)加防护层，如在金属表面喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法。 【特别提醒】(1)钢铁发生电化学腐蚀时，负极铁去电子生成Fe2＋，而不是生成Fe3＋。 (2)金属腐蚀时，电化学腐蚀与化学腐蚀往往同时存在，但前者更普遍，危害也更严重。 (3)铜暴露在潮湿的空气中发生的是化学腐蚀，而不是电化学腐蚀，生成铜绿的化学成分是Cu (OH) CO。 2 2 3 (4)两种保护方法的比较：外加电流的阴极保护法比牺牲阳极的阴极保护法保护效果好。 (5)金属越活泼，就越容易失去电子而被腐蚀，金属活动顺序表中位于氢前面和氢后面的金属都能发生吸氧 腐蚀，但只有在金属活动顺序表中氢前面的金属才可能发生析氢腐蚀。 知识点四 电化学有关计算 1.计算依据——三个相等 (1)同一原电池的正、负极的电极反应得、失电子数相等。 (2)同一电解池的阴极、阳极电极反应中得、失电子数相等。 (3)串联电路中的各个电极反应得、失电子数相等。 上述三种情况下，在写电极反应式时，得、失电子数要相等，在计算电解产物的量时，应按得、失电子数 相等计算。 2.计算方法——三种常用方法 (1)根据总反应式计算 先写出电极反应式，再写出总反应式，最后根据总反应式列出比例式计算。 (2)根据电子守恒计算 ①用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算，其依据是电路中转移的电子数 相等。 ②用于混合溶液中分阶段电解的计算。 (3)根据关系式计算 根据得失电子守恒定律建立起已知量与未知量之间的桥梁，构建计算所需的关系式。 如以通过4mole-为桥梁可构建如下关系式:4 ⏟2Cl (Br 、I )~O ~2H ~2Cu~4Ag~ M 4e-~ 2 2 2 2 ⏟2 n 阳极产物 阴极产物 (式中M为金属,n为其离子的化合价数值) 该关系式具有总揽电化学计算的作用和价值,熟记电极反应,灵活运用关系式便能快速解答常见的电化学计 算问题。 提示：在电化学计算中，还常利用Q＝I·t和Q＝n(e－)×N ×1.60×10－19C来计算电路中通过的电量。 A 第三部分：典型例题剖析 高频考点1 考查电解规律及电极产物的判断 例1.(2021·安徽马鞍山一模)NCl 是一种黄色黏稠状液体，可用于制备新型消毒剂ClO ，其制备装置如图所 3 2 示。下列说法正确的是( ) A.Pt极发生氧化反应，可用淀粉－KI试纸检验M B.石墨极的反应式为NH＋6e－＋3Cl－===NCl ＋4H＋ 3 C.电解过程中，质子交换膜右侧溶液pH会增大 D.每生成1 mol NCl ，会生成67.2 L气体M 3 【变式训练】(2021·全国乙卷，12)沿海电厂采用海水为冷却水，但在排水管中生物的附着和滋生会阻碍冷 却水排放并降低冷却效率。为解决这一问题， 通常在管道口设置一对惰性电极(如图所示)，通入一定的电 流。 下列叙述错误的是( ) A．阳极发生将海水中的Cl－氧化生成Cl 的反应 2 B．管道中可以生成氧化灭杀附着生物的NaClO C．阴极生成的H 应及时通风稀释安全地排入大气 2 D．阳极表面形成的Mg(OH) 等积垢需要定期清理 2 高频考点2 考查电极反应式的书写与正误判断 1．（2022·四川内江·模拟预测）某电化学装置如图所示，该装置能将CO 转化为燃料C HOH，从而实践 2 2 5“碳中和”。下列说法正确的是 A．该电化学装置实现“碳中和”的同时将光能转化为电能 B．该电化学装置工作时，溶液中的H+由a极区移向b极区 C．a电极的反应式为2CO+12H++12e-=C HOH+3H O 2 2 5 2 D．每生成3.36LO ，有4.4gCO 被还原 2 2 【变式训练】（2022·广东·模拟预测）如图电化学装置可制备偏钨酸铵(NH )(H W O )，双极膜中间层中 4 6 2 12 40 的水解离为H+和OH-，并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法错误的是 A．阳极发生氧化反应，电极反应为4NH ·H O- 4e- = 4 + O ↑+2H O 3 2 2 2 B．双极膜中间层中的OH-向左侧迁移进入碱室，a膜为阳离子交换膜 C．产品室发生反应： 12 +18H+ = [H W O ]6- +8H O 2 12 40 2 D．当电路中通过4mol电子时，阴极室溶液的质量理论上增加72g 高频考点3 考查电解原理的应用 例3． (2021·四川达州一诊)二氧化氯是一种新型消毒剂，以氯酸钠为原料采用电解法制备二氧化氯装置如 图所示。下列说法不正确的是( )A.电极B的材料是石墨 B.阴极区部分ClO 循环反应 2 C.产生ClO 的反应式为ClO＋ClO＋2H＋===2ClO ↑＋HO 2 2 2 D.电解后阳极区溶液pH增大 【变式训练】(2021·重庆·模拟)用铁和石墨作电极电解酸性废水，可将废水中的PO以FePO (不溶于水)的形 4 式除去，其装置如图所示。 下列说法中正确的是( ) A.若X、Y电极材料连接反了，则仍可将废水中的PO 除去 B.X极为石墨，该电极上发生氧化反应 C.电解过程中Y极周围溶液的pH减小 D.电解时废水中会发生反应：4Fe2＋＋O＋4H＋＋4PO===4FePO↓＋2HO 2 4 2 高频考点4 考查金属腐蚀与防护 例4.（2022·湖北·荆州中学三模）在硫酸盐还原细菌的作用下，深埋地下的铁管道与土壤中的硫酸根离子 会发生电化学腐蚀，其原理如图所示。下列说法正确的是 A．铁管道发生的是吸氧腐蚀 B．铁管道附近土壤的pH会减小 C．铁管道上镀锌可以延缓管道的腐蚀 D．输送高温水蒸气的铁管道也会发生该类型腐蚀【变式训练】（2022·上海宝山·一模）钢铁的电化学腐蚀主要是吸氧腐蚀(如图)和析氢腐蚀。关于这两种电 化腐蚀的说法正确的是 A．两种电化腐蚀的电解质溶液酸碱性有差异 B．电化腐蚀比化学腐蚀危害更大的原因是发生了氧化还原反应 C．两种电化腐蚀中都是铁作为负极、发生还原反应 D．吸氧腐蚀正极的反应为：4OH--4e-→O+2H O 2 2 高频考点5 考查电子守恒在电化学计算中的应用 例5.（2022·江西宜春·模拟预测）在铜基配合物的催化作用下，利用电化学原理可将CO 还原为碳基燃料 2 (包括CO、烷烃和羧酸等)，其装置原理如图所示。下列叙述正确的是 A．该装置工作时，H+穿过质子交换膜从右向左移动 B．图中石墨烯为阴极，电极反应式为CO+2H+ +2e-=HCOOH 2 C．每转移2 mol电子，阴极室电解质溶液质量增加44 g D．该装置工作过程中，图中Pt电极附近溶液的pH不变 【变式训练】（2022·河南·模拟预测）我国科学家开发了一款高压无阳极配置可充电钠电池，其充电过程 的原理如图所示。下列说法正确的是A．放电时，电子由b极经3A沸石分子筛膜流向a极 B．放电时，a极的电极反应式为Na++e-=Na C．充电时，b极为阳极，发生还原反应 D．充电时，电路中每迁移2mol电子，理论上a极净增重46g